推動IC設計革命的七大EDA技術(shù)工具

說到集成電路就沒法不說EDA工具。時至今日，盡管所用的語言和工具仍然不斷在發(fā)展，但是通過采用類似編程語言的硬件描述語言來設計、驗證電路預期行為，利用工具軟件綜合得到低抽象級門級設計并進一步完成物理設計的途徑，仍然是數(shù)字集成電路設計的基礎(chǔ)。對模擬/混合信號電路設計而言，隨著工藝節(jié)點的推進，設計的規(guī)模在不斷增大，而留給設計師的設計余量在逐漸減小，對仿真和驗證工具在容量、速度和精度的要求越來越高。在沒有EDA工具之前，搞電路要靠人手工，對于大規(guī)模集成電路有上億晶體管的設計用手工簡直是不可為的。

隨著IC不斷向高集成度、高速度、低功耗、高性能發(fā)展，沒有高可靠性的計算機輔助設計手段，完成設計是不可能的。可以說有了EDA工具，才有了超大規(guī)模集成電路設計的可能。

EDA工具真正起步于1980年代，1983年誕生了第一個工作站平臺apollo；近40年的發(fā)展，EDA工具幾乎涵蓋了集成電路的方方面面，從硬件描述語言（Hardware Description Language，HDL）到邏輯仿真工具（Logic Simulation），從邏輯綜合（Logic Synthesis）到自動布局布線系統(tǒng)（Auto Place & Route）；從物理設計規(guī)則檢查（design rule check/DRC & electrical rule check/ERC）到電路圖版圖比對（Layout versus Schematic，LVS）到芯片的制造測試。

筆者通過和眾多工程師溝通交流，試著從眾多EDA技術(shù)及工具中選取七種富有創(chuàng)造性的類別加以介紹，這些技術(shù)或工具確實大大促進了集成電路的發(fā)展。

一、GDS & GDS II

GDS是由Calma研發(fā)完成，用于集成電路版圖的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得以制作光刻掩模版。

Calma成立于1964年，其創(chuàng)始人是Calvin Hefte、Ron Cone和Jim Lambert，曾經(jīng)和Applicon、ComputerVision一起成為稱為三大CAD公司，1988年被Valid Logic Systems收購。

Calma于1971年為掩模布局數(shù)據(jù)（mask layout data）開發(fā)了一個二進制文件格式GDS（Graphic Data System），1978年進行了重大修訂，被稱為GDS-II。到目前為止，半導體行業(yè)仍然使用GDS-II作為IC設計“tape-outs”的標準版圖數(shù)據(jù)格式。

集成電路版圖（integrated circuit layout）是集成電路設計中最底層步驟物理設計的成果，物理設計通過布局、布線技術(shù)將邏輯綜合的成果（門級網(wǎng)表）轉(zhuǎn)換成物理版圖文件，這個文件包含了各個硬件單元在芯片上的形狀、面積和位置信息。版圖設計必須遵守制造工藝的相關(guān)設計規(guī)則要求，并滿足時序、面積、功耗等的約束。集成電路版圖完成后，整個集成電路設計流程基本結(jié)束。隨后，半導體加工廠會接收版圖文件，利用半導體器件制造設備和技術(shù)，來制造實際的硬件芯片。（簡單說就是，GDS文件通過二進制編碼來表示平面的幾何圖形、文字，以及圖形的圖層和屬性等數(shù)據(jù)。每個圖層都可以進行獨立命名，且每個圖層的都屬性都可以進行特殊標定，是一種功能較強的數(shù)據(jù)格式，由于適合在電子束曝光時，對各個區(qū)域的曝光計量進行分別設定。）

現(xiàn)在的版圖設計是借助電子設計自動化工具來完成的。而在1960年代，設計工程師用鉛筆和網(wǎng)格紙手動繪建芯片布局，然后再將這些圖形數(shù)字化，以創(chuàng)建IC布局的電子數(shù)據(jù)庫，然后通過軟件將其轉(zhuǎn)換為用于制造光掩模的圖案生成器格式。

Calma一直在用專門的計算機和軟件取代容易出錯的手動繪圖過程，從而使該過程自動化。Calma可謂催生了EDA時代，用于IC和印刷電路板的布局設計，從而促成了Apollo和Sun Microsystems工作站的采用，以及包括現(xiàn)在EDA三巨頭在內(nèi)眾多EDA公司創(chuàng)建。

二、SPICE

SPICE（Simulation program with integrated circuit emphasis）是一種功能強大的通用電路級模擬仿真器，主要用于集成電路的電路分析，SPICE的網(wǎng)表格式變成了通常模擬電路和晶體管級電路描述的標準，由美國加州大學伯克利分校電機工程與計算機科學系（UC Berkeley, Dept. EECS）開發(fā)完成，其最初的名字是CANCER（Computer Analysis of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation）。

第一版于1971年由Laurence Nagel等七名研究生在Ron Rohrer教授指導下開發(fā)完成，1975年在Don Peterson教授指導下推出正式實用化版本，1988年被定為美國國家工業(yè)標準，主要用于模擬電路、數(shù)?；旌想娐?、電源電路等電子系統(tǒng)的設計和仿真。

自SPICE問世以來，其版本的更新持續(xù)不斷，有SPICE2、SPICE2G6、SPICE3、SPICE3f5等多個版本，新版本主要在電路輸入、圖形化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和執(zhí)行效率上有所增強，業(yè)界普遍認為SPICE2G6是最為成功和有效的，以后的版本僅僅是局部的變動，現(xiàn)在常用的各類SPICE工具都是基于公開發(fā)表的SPICE 2G6版的源代碼。

從1970年代初到如今近五十年的時間里，SPICE從只能仿真十幾個元器件規(guī)模到今天可以仿真上千萬個元器件規(guī)模的電路，取得了非常驚人的成就。SPICE是一個解非線性常微分方程的工具，但由于要改變SPICE的基石很難，所以1990年代中期的SPICE沒有太大的變化。

SPICE的基石包括：改進的節(jié)點分析法（Modified Nodal Analysis）、稀疏矩陣解法（Sparse Matrix Solver），牛頓-拉夫遜迭代（Newton-Raphson Iteration）、隱性數(shù)值積分（Implicit Numerical Integration）、動態(tài)步長的瞬態(tài)分析（Dynamic Time Step Control）、局部截斷誤差（Local Truncation Error）等等。

目前主流的商用SPICE包括Synopsys HSPICE & FineSim SPICE、Cadence Spectre& APS、Mentor ELDO& AFS、Silvaco Smart-Spice，國產(chǎn)廠商華大九天（Empyrean）的ALPS、概倫電子（ProPlus）的NanoSpice&NanoSpice Giga具有一定競爭力。

當然，除了由EDA公司提供的商業(yè)SPICE外，還有就是一些老牌的半導體公司自行在內(nèi)部開發(fā)的SPICE，不用來銷售，包括IBM、Intel、TI、ADI、STM和Infenion等公司，這些半導體公司的SPICE基本都會有自己的器件模型。據(jù)悉，TI就把內(nèi)部的SPICE現(xiàn)在也拿來開源了。

SPICE的優(yōu)點是其精確性，但是缺點也很明顯，對于可以仿真的規(guī)模和速度有一定的限制，一般用于小規(guī)模和高精度的仿真應用。因此在此基礎(chǔ)上發(fā)展了另一類晶體管級仿真器FastSPICE，典型如Synopsys的NanoSim、HSIM（2004年收購Nassda）、FineSim Pro（2011年收購Magma）和CustomSim (XA)，Cadence的UltraSim（2003年收購Celestry，這里要提一下，UltraSim最早由BTA開發(fā)，BTA為概倫電子團隊于1993年與胡正明教授所創(chuàng)建，BTA于2001年與戴偉民博士的Ultima公司合并成Celestry）和Spectre XPS，Mentor的ADiT（2006年收購EverCAD），概倫電子的NanoSpice Giga等，用于處理大規(guī)模電路仿真和全芯片驗證。FastSPICE采用了大量的加速仿真的技術(shù)，例如Table Model和Event Driven的電路partition等，并對電路進行簡化，在犧牲一定仿真精度的情況下處理大規(guī)模電路仿真的需求，如定制數(shù)字電路、存儲器、SOC全芯片仿真和驗證等。在實際的應用中，SPICE往往用于高精度模擬電路和小模塊的定制數(shù)字電路和存儲器模塊，FastSPICE往往用于大規(guī)模后仿電路、大模塊定制數(shù)字電路、存儲器和全芯片SOC的仿真和驗證等。

值得一提的是，國產(chǎn)EDA公司在SPICE方面取得了重大進步。

2016年概倫電子的NanoSpice Giga提出了一個全新的概念GigaSpice，以SPICE的引擎和精度去取代FastSPICE的應用以避免FastSPICE造成的精度缺失，并提供比FastSPICE更快的速度，在業(yè)界領(lǐng)先的超大規(guī)模存儲器設計和大規(guī)模后仿模擬電路中得到了國際市場認可和應用。

華大九天在2018年正式推出業(yè)界首款異構(gòu)并行仿真系統(tǒng)Empyrean ALPS-GT?，基于大算力異構(gòu)平臺和獨創(chuàng)的異構(gòu)智能矩陣求解技術(shù)SMS-GT, 極大的提升了電路仿真的性能，保持100% True SPICE精度，性能相比CPU架構(gòu)的SPICE提升了10+倍。ALPS-GT的推出，解決了FastSPICE及引入fastspice技術(shù)的spice精度不夠, 而傳統(tǒng)spice及并行spice性能和容量又不夠的問題。

最后有必要說說開源的NGSPICE。自從上世紀九十年代后，有一批SPICE的愛好者及高校把SPICE3f5接過來，并整合了其他幾個開源軟件，包括xspice、cider、gss、adms等，建成了NGSPICE。NGSPICE在緩慢的進化著，但比起商業(yè)SPICE進化的速度慢多了。目前很多學術(shù)研究在使用。

三、半導體器件模型（SPICE Model）

半導體器件模型和用戶工藝線緊密聯(lián)系。在芯片設計之前，相應的器件模型參數(shù)已由晶圓代工（Foundry）公司通過PDK中的模型庫提供給芯片設計人員。

MOSFET模型發(fā)展至今，已經(jīng)有50多個模型。下面簡單介紹幾個代表性模型：

1、SPICE器件模型

MOS1模型（SPICE Level 1）：是UC Berkeley SPICE最早的MOSFET模型，只考慮了MOSFET的基本性能，適用于低精度的長溝道MOSFET。

MOS2模型（SPICE Level 2）：考慮了MOSFET的二級效應和部分短溝道效應，適用于知短溝道器件，對于溝道長度大于2μm的器件所得模擬結(jié)果很精確。

MOS3模型（SPICE Level 3）：小尺寸器件的半經(jīng)驗模型，更加精確地考慮了MOSFET的二級效應，廣泛應用于數(shù)字電路設計中，適用于溝道長度小于5μm的情況。

2、BSIM器件模型

BSIM（Berkeley Short-channel IGFET Model）模型是UC Berkeley胡正明教授團隊專門為短溝道MOSFET開發(fā)的模型。

BSIM1模型（SPICE Level 4），適用于溝道長度約為1μm、柵氧化層厚度為15nm的器件。

BSIM2模型（對應HSPICE Level 39），是在BSIM1模型開發(fā)的深亞微米模型，適用于溝道長度可短至0.25μm、柵氧化層厚度為0.36nm的器件。

BSIM3模型是基于準二維分析的物理模型，著重解決器件工作的物理機制，考慮器件尺寸和工藝參數(shù)的影響，力求使每個模型與器件特性的關(guān)系可預測，并設法減少模型參數(shù)的個數(shù)。

BSIM4模型：在BSIM3模型基礎(chǔ)上，適用于深亞微米IC，同時針對射頻電路設計進行了改進。

BSIM家族中最成功的代表是BSIM3v3（對應HSPICE Level 49）和BSIM4v5（對應HSPICE Level 54）。從此以后，再也沒有其他的模型能出其右。它們倆也是工業(yè)界的MOSFET器件模型標準。BSIM3跨越了亞微米的工藝（0.3μm至0.13μm，大致從1993年到2000年），BSIM4跨越了深亞微米到納米的工藝（90nm至20nm，大致從2002年到2012年）。時至今日，BSIM4仍是業(yè)界使用最廣泛的集成電路模型。

3、FinFET器件模型

FinFET器件模型BSIM-CMG，也是由UC Berkeley胡正明教授BSIM團隊專門針對20納米以下三維晶體管MOSFET開發(fā)的模型，也迅速成為了國際標準模型。

半導體器件模型是SPICE的基礎(chǔ)之一?，F(xiàn)代的SPICE仿真需要很多器件模型，包括無源元件（電阻、電容、電感等），以及有源器件（二極管、雙極管等）。但花樣最多、變化最頻繁、復雜度最高的當屬MOSFET器件模型。這主要是因為從1970/1980年代以后，MOSFET的工藝因它的低功耗、高集成度而變成了主流。那時候還是個半導體工業(yè)百花爭鳴的年代。很多半導體公司如雨后春筍般的冒出來，幾乎每一家公司都在工藝及器件上有點自己的絕活，所以當時大多是IDM公司，造成了MOSFET的模型也層出不窮。誰家的SPICE支持的MOSFET模型越多，誰的SPICE用戶群就越大。

而當時，用戶群最大的SPICE當屬由孿生兄弟Shawn Hailey和Kim Hailey于1974年創(chuàng)辦的Meta-Software公司的HSPICE，HSPICE擁有獨創(chuàng)的MOSFET器件模型Level 28，從1978年成立到1996年的18年間，一共銷售了超過1.1萬套，年成長率達到了25-30%。Level 28是基于BISM1開發(fā)的MOSFET器件模型，適用于模擬電路設計。這里要提一下，1996年Meta-Software被Avant!收購，到2001年，Avant!又被Synopsys收購。

雖然Level 28沒有成為行業(yè)標準，但是成為推動BSIM成為行業(yè)標準的基礎(chǔ)。在當前屬于Si2下的模型標準化組織（CMC）出現(xiàn)后，BSIM3v3迅速成為了集成電路全球第一個工業(yè)標準模型，業(yè)界所有的Foundry、IDM、fabless和EDA共同支持，成為了國際集成電路飛速發(fā)展的主要推動力之一。后續(xù)胡正明教授領(lǐng)導的BSIM團隊相繼推出BSIM4、BSIMSOI、BSIM6 (BSIM-BULK)、BSIM-CMG、BSIM-IMG等國際標準模型，二十年來全球集成電路設計的絕大多數(shù)都是基于BSIM系列模型，對國際集成電路發(fā)展產(chǎn)生了至關(guān)重要的作用。

值得一提的是，在EDA細分市場器件模型工具領(lǐng)域，概倫電子是該領(lǐng)域的領(lǐng)導廠商，其解決方案源自1993年胡正明教授團隊推出BSIM3v3模型標準后領(lǐng)導成立的BTA公司的BSIMPro/BSIMProPlus系列工具，二十多年來至今仍是所有主流代工廠的標準建模工具。當然另一國產(chǎn)EDA公司博達微在器件模型工具也占有一席之地。

四、硬件描述語言（HDL）

VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）和Verilog HDL是世界上最流行的兩種硬件描述語言（Hardware Description Language，HDL），以文本形式來描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為的語言，既可以表示邏輯電路圖、邏輯表達式，也可以表示數(shù)字邏輯系統(tǒng)所完成的邏輯功能，目的是為了把電子電路的設計意義以文件的形式保存，以方便他人能輕易地了解電路的設計意義。

兩者都是在20世紀80年代中期開發(fā)出來的。VHDL和Verilog作為IEEE的工業(yè)標準硬件描述語言，得到眾多EDA公司支持。

1、VHDL

VHDL起源于1980年代美國國防部的VHSIC計劃（Very-High-Speed Integrated Circuit），VHDL中的“V”代表VHSIC。

1981年6月成立VHDL小組。1983年由IBM、TI、Intermetric聯(lián)合成立開發(fā)小組，1985年推出第一版。

1987年12月IEEE公布了標準版本IEEE STD 1076/1987（簡稱87版）。自IEEE-1076（簡稱87版）之后，各EDA公司相繼推出自己的VHDL設計環(huán)境，或宣布自己的設計工具可以和VHDL接口。

1993年，IEEE對VHDL進行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴展VHDL的內(nèi)容，形成了新的標準版本IEEE STD 1076-1993（簡稱93版）。

1996年美國國防部規(guī)定其為官方ASIC設計語言。

2、Verilog HDL

Verilog HDL語法與C語言類似，但作為硬件描述語言，與C語言有著本質(zhì)的不同。Verilog HDL由Automated Integrated Design Systems的Phil Moorby創(chuàng)建于1983年，并發(fā)布Verilog仿真器。1985年Automated Integrated Design Systems更名Gateway Design Automation（GDA）。1987年Synopsys開始使用Verilog HDL作為其綜合工具的輸入。

1989年Cadence收購GDA，擁有Verilog HDL的獨家專版，于1990年正式發(fā)布Verilog HDL，并于同年成立OVI（Open Verilog International），面向公有領(lǐng)域開放，推進Verilog HDL發(fā)展和標準的制定，1993年獲得幾乎所有ASIC廠商支持，認為Verilog-XL是最好的仿真器。

1995年Cadence放棄獨家擁有的Verilog HDL專利，得以成為IEEE 1364-1995標準（簡稱Verilog-95）。

1999年模擬和數(shù)字都適用的Verilog標準公開發(fā)表。

2001年，Verilog HDL進行了修正和擴展，修改后的內(nèi)容后來再次被提交給IEEE，成為IEEE 1364-2001標準（簡稱Verilog-2001）。Verilog-2001是對Verilog-95的一個重大改進版本，它具備一些新的實用功能，例如敏感列表、多維數(shù)組、生成語句塊、命名端口連接等。目前，Verilog-2001是Verilog的最主流版本，被大多數(shù)商業(yè)電子設計自動化軟件包支持。

2005年，Verilog HDL再次進行了更新，即IEEE 1364-2005標準（簡稱Verilog-2005）。該版本只是對Verilog-2001的細微修正。Verilog-2005包括一個相對獨立的新部分（Verilog-AMS）。這個擴展使得傳統(tǒng)的Verilog HDL可以對集成的模擬和混合信號系統(tǒng)進行建模。

后續(xù)發(fā)展

作為兩大標準的硬件描述語言，VHDL和Verilog HDL的互操作性非常重要，兩大國際組織VHDL International（VI）、Open Verilog International（OVI）曾努力協(xié)調(diào)VHDL和Verilog HDL的互操作問題。2000年，VHDL International（VI）和Open Verilog International（OVI）這兩個擁有豐富標準制定程序經(jīng)驗的組織合并成立了Accellera。Accellera成立后，積極推動硬件描述語言的發(fā)展。

隨著芯片的功能不斷地擴大，Verilog不足以應對日益復雜的芯片設計和驗證，于是SystemVerilog被發(fā)明了。

創(chuàng)建了Verilog HDL的Phil Moorby在離開公司后，和Peter Flake等硬件描述語言專家在Co-Design Automation公司進行合作，對Verilog HDL進行擴展研究，在1999年發(fā)布了superlog系統(tǒng)設計語言，同時發(fā)布了SystemSim和SystemEX兩個工具，一個用于系統(tǒng)開發(fā)，一個用于高級驗證。2001年Co-Design Automation公司向Accellera發(fā)布了superlog擴展綜合子集ESS。2002年Synopsys收購了Co-Design Automation，將superlog及其驗證子集捐贈給了Accellera，這樣就分別有了SystemVerilog 3.0、SystemVerilog 3.1、SystemVerilog 3.1a。使得工程師可以在Verilog語言的RTL級綜合子集的基礎(chǔ)上，提供更多級別的硬件綜合抽象級，為各種系統(tǒng)級的EDA軟件工具所利用。

之后，Accellera和IEEE共同推出了SystemVerilog的標準IEEE1800-2005的標準。

2009年，IEEE 1364-2005和IEEE 1800-2005兩個部分合并為IEEE 1800-2009，成為了一個新的、統(tǒng)一的SystemVerilog硬件描述驗證語言。從而開啟了一個新的時代。目前最新版本為IEEE 1800-2017。

System Verilog是Verilog語言的拓展和延伸。Verilog適合系統(tǒng)級，算法級，寄存器級，邏輯級，門級，電路開關(guān)級設計；而System Verilog更適合于可重用的可綜合IP和可重用的驗證用IP設計，以及特大型基于IP的系統(tǒng)級設計和驗證。System Verilog的一個顯著特點是能夠和芯片驗證方法學結(jié)合在一起，因而可以大大增強模塊復用性、提高芯片開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。芯片驗證方法學中比較著名的有：VMM、OVM、AVM和UVM等。

五、邏輯綜合工具

邏輯綜合（logical synthesis）的行為是將數(shù)字電路的寄存器傳輸級描述（RTL，Register Transfer Level）的Verilog HDL/VHDL文件“綜合”為描述設計結(jié)構(gòu)的門級（Gate-Level Netlist）Verilog HDL/VHDL文件。將RTL和根據(jù)設計需求編寫的約束文件作為輸入綜合出門級網(wǎng)表，在性能、面積和功耗之間進行trade-offs。后端Place&Route工具（ICC、Innovus）將門級網(wǎng)表作為輸入生成GDSII文件用于芯片制造。

簡單說，邏輯綜合=翻譯（translation）+邏輯優(yōu)化（logic optimization+門映射（gate mapping）；其實就是首先把描述RTL級的HDL語言翻譯成GTECH，然后再優(yōu)化和映射成工藝相關(guān)的門級網(wǎng)表。

邏輯綜合工具主要有Synopsys的Design Compiler、Cadence的Genus、Mentor的Leonardo。

Synopsys的Design Compiler是最精典的邏輯綜合工具。自1987年以來在全球范圍內(nèi)使用，全球幾乎所有的芯片供應商、IP供應商和庫供應商都支持DC，是目前90%以上ASIC設計人員廣泛使用的工具。大幅提高ASIC設計效率的自動化始于Synopsys的Design Compiler，在這一創(chuàng)新的邏輯綜合工具推出并得到應用之前，所有IC設計都處于門級或晶體管級別。

Design Compiler簡稱DC，是Synopsys的邏輯綜合（logical synthesis）工具，它可以根據(jù)設計描述（design description）和設計約束（design constraints）自動綜合出一個優(yōu)化了的門級電路，也就是說DC可以將HDL所做的RTL級描述自動轉(zhuǎn)換成優(yōu)化的門級網(wǎng)表，可以隱藏數(shù)字設計人員的設計細節(jié)。

由于早期的半導體工藝尺寸較大，連線延時占比小，無需考慮物理位置信息，最初的Design Compiler完成的是純粹的邏輯綜合。

隨著工藝技術(shù)越來越先進，工藝特征尺寸越來越小，連線的延時難以忽略，同時需要較為精準的計算，而該延時與電路中各單元的物理位置密切相關(guān)，因而Synopsys推出了考慮物理信息并可生成物理指導的新版Design Compiler Graphical綜合工具，它不僅可以更精準地估算連線延時，還可以預測布線擁堵情況并進行相應優(yōu)化。

Synopsys的最新版Design Compiler，即Design Compiler NXT，可提供基于云計算的分布式綜合（synthesis）技術(shù)，相比以往版本顯著加快了運行速度。并且通過平臺化的通用庫以及與布局布線工具IC Compiler II校準的RC寄生參數(shù)提取，實現(xiàn)在5nm以及更先進工藝節(jié)點下極為緊密的相關(guān)一致性。

六、靜態(tài)時序分析

靜態(tài)時序分析（Static Timing Analysis，STA）是對數(shù)字電路所有關(guān)注的時序路徑進行提取，然后計算和預計信號在路徑上的延遲是否存在違背時序約束的錯誤，主要是檢查建立時間和保持時間是否滿足要求。靜態(tài)時序分析的特點是不依賴于測試激勵，且可以窮舉所有路徑。

傳統(tǒng)上，人們常常將工作時鐘頻率作為高性能的集成電路的特性之一。為了測試電路在指定速率下運行的能力，人們需要在設計過程中測量電路在不同工作階段的延遲。此外，在不同的設計階段（例如邏輯綜合、布局、布線以及一些后續(xù)階段）需要對時間優(yōu)化程序內(nèi)部進行延遲計算（Delay calculation）。盡管可以通過嚴格的SPICE電路仿真來進行此類時間測量，但是這種方法在實用中耗費大量時間。靜態(tài)時序分析在電路時序快速、準確的測量中扮演了重要角色。靜態(tài)時序分析能夠更快速地完成任務，是因為它使用了簡化的模型，而且它有限地考慮了信號之間的邏輯互動。

靜態(tài)時序分析工具可以識別的時序故障要比仿真多得多，包括：建立/保持和恢復/移除檢查（包括反向建立/保持）；最小和最大跳變；時鐘脈沖寬度和時鐘畸變；門級時鐘的瞬時脈沖檢測；總線競爭與總線懸浮錯誤；不受約束的邏輯通道等。有一些靜態(tài)時序工具還能計算經(jīng)過導通晶體管、傳輸門和雙向鎖存的延時，并能夠自動對關(guān)鍵路徑、約束性沖突、異步時鐘域和某些瓶頸邏輯進行識別與分類。

靜態(tài)時序分析在最近幾十年中，成為了相關(guān)設計領(lǐng)域中的主要技術(shù)方法。Synopsys的PrimeTime、Cadence的Pearl和Mentor的SST Velocity主要用于全芯片的IC設計；Altium的工具主要用于PCB設計中靜態(tài)時序分析。各大FPGA廠商Intel（收購Altera）、Xilinx、Lattice、MircoSemi（收購Actel）的IDE均提供靜態(tài)時序功能。

Synopsys的PrimeTime自推出以來，成為深受廣大IC設計人員廣泛使用的工具，在靜態(tài)時序分析工具領(lǐng)域占有壟斷地位。

PrimeTime簡稱PT，是Synopsys的靜態(tài)時序分析軟件，被用來分析大規(guī)模、同步、數(shù)字ASIC。PrimeTime的主要功能是對芯片進行靜態(tài)時序分析，工作在電路設計的門級網(wǎng)表層次，可以和Synopsys公司的其它EDA軟件非常好的結(jié)合在一起使用。

PrimeTime提供高準確度的延遲分析，以Spice的精度來計算單元和連線延遲，減少設計冗余并迅速的發(fā)現(xiàn)時序問題和減少ECO（Engineering Change Order）修復的時間；PrimeTime針對設計時序簽核需要考慮不同操作模式、電壓、溫度和工藝角點的單獨場景，提供了分布多場景分析（DMSA），簡化了分析和管理這些場景的分析。

隨著納米級設計的工藝尺寸的縮小和時鐘頻率的提升，型號完整性效應如串擾延遲和噪聲（或者毛刺）傳遞能夠?qū)е鹿δ苁Щ蛘邥r序失效。PrimeTime SI是PrimeTime的信號完整性解決方案，在PrimeTime中加入準確的串擾延遲、噪聲（毛刺）和電壓降（IR）延遲分析，來應對90納米及以下的信號完整性分析。

為了支持14/16納米及以下工藝的設計特點，Synopsys推出了PrimeTime ADV，支持識別物理信息的ECO，避免ECO對當前版圖的影響，加速時序收斂；提供功耗ECO修復，利用正向時序，尋找漏電流功耗降低機會；提供參數(shù)化片上變異（POCV）分析方法，盡可能的消除悲觀的時序估計，加速時序和ECO收斂。

另外，在時序分析和優(yōu)化領(lǐng)域，華大九天耕耘多年，在該領(lǐng)域具有領(lǐng)先的產(chǎn)品和技術(shù)。針對先進工藝物理效應對時序影響顯著的特征，在業(yè)界第一個提出了physical-aware ECO的概念，其產(chǎn)品XTop在時序ECO領(lǐng)域處于市場領(lǐng)導者地位。另外，針對16/7nm以下先進工藝及低壓設計時序偏差大，時序敏感性強，可靠性差的特點，華大九天發(fā)布的SPICE-accurate Timing Analysis工具XTime可有效解決靜態(tài)時序分析無法解決的問題。

七、定制電路設計環(huán)境和版圖設計工具

芯片設計從實現(xiàn)方法上可以分為全定制（Full Custom）、半定制（Semi-Custom）和基于FPGA設計。全定制設計方法是指基于晶體管級，所有器件 和互連版圖都用手工生成的設計方法，適用于大批量生產(chǎn)、要求精度高、速度快、面積小、功耗低的芯片。

全定制設計方法是按照規(guī)定的功能和性能要求，先設計出滿足功能的電路，然后用電路的布局和布線進行專門的優(yōu)化設計，以達到芯片的最佳性能。

全定制設計的主要EDA工具有Cadence的Virtuoso、Synopsys的Custom Designer、Mentor 的Pyxi，以及華大九天的Aether。

Cadence的Virtuoso在全定制芯片（Full Custom）和AMS（Analog Mixed Signal）混合信號芯片/版圖（Layout）工具市場上占據(jù)接近80%的市場份額。以至于各個主流芯片代工廠商（Foundry）基本上都專門為其開發(fā)PDK供給芯片設計客戶使用。

Cadence的Virtuoso包括了前端到后端的全流程設計功能，與其他工具如多模仿真工具和物理驗證工具等結(jié)合在一起使用構(gòu)成了完整的定制芯片設計流程。

目前，最新版Virtuoso的最大改變是引進了ADE（Analog Design Environment模擬設計環(huán)境）全新的三個工具：ADE Explorer，ADE Assembler，和ADE Verifier，用來替換以前版本中的ADE-L，ADE-XL和ADE-GXL。

Virtuoso的ADE是模擬設計和SPICE仿真圖形界面事實上的業(yè)界標準，而且新版將舊版ADE中分離的標稱值/corners/sweeps/蒙特卡羅/參數(shù)對比等功能都整合在ADE Explorer中，ADE Verifier將項目層級管理和仿真納入設計中， 以加大對芯片設計工程師的吸引力。

目前，Cadence針對先進節(jié)點工藝制程（20nm以下節(jié)點工藝）推出ICADV版本Virtuoso。其最新版本ICADV123和ICADVM181可以滿足從16nm到5nm先進節(jié)點。

而Virtuoso RF將封裝、PCB整合到一起，解決系統(tǒng)級的仿真問題，從系統(tǒng)的角度優(yōu)化整個設計，不單單是單個芯片，或封裝和PCB的設計。

Cadence的最新版Virtuoso在定制版圖設計中，從設計規(guī)則驅(qū)動，到連接關(guān)系驅(qū)動，到仿真結(jié)果驅(qū)動，大大的提升版圖設計的效率。

最后要特別提到的是，華大九天的Aether平臺是目前全球第四套模擬設計平臺工具，已被國內(nèi)外數(shù)十家模擬設計公司采用，并于2018年被Foundry廠商TowerJazz列入?yún)⒖荚O計流程。

鳴謝

本文在寫作過程中得到眾多設計工程師的幫助，成稿時得到EDA公司資深工程師的審閱，在此一并致以謝意！